铁素体耐热不锈钢管

铁素体耐热钢的优势有成本低，膨胀系数低，对热应力疲劳不敏感，且易加工，使用较方便。但由于铬含量较低且一般不含镍元素，故服役温度和许用应力较低。同时，其焊接性较差，通常用于蒸汽温度及蒸汽压力较低的环境。由于价格低廉，目前已部分替代奥氏体耐热不锈钢管在热力管道方面的应用。铁素体不锈钢管在工程上的应用日益广泛：13%Cr型铁素体不锈钢管的服役环境主要为大气环境,如汽车排气系统。与409系列相比，SUS436L铁素体耐热钢添加了合金元素Mo，耐蚀性得到进一步提高。同时，因其耐蚀性比409系列好，且比SUS436L的制造成本低，故得到更广泛的应用。18%-20%Cr型铁素体不锈钢管服役主要为氯化物环境，如热交换器管、电厂冷凝器管及民用和工业用建筑水管等。26%Cr型铁素体不锈钢管主要用于制造能够耐酸性腐蚀的工业设备或领域，如化学储运酸的设备，尿素合成及造纸工业等。29%Cr型铁素体不锈钢管主要服役于强腐蚀性介质的环境，如暴露在海水中的设备和在强腐烛性环境下的设备。

20世纪40年代初期，喷气式发动机底盘和蒸汽发动机叶片对材料性能提出了更高的要求，故12%Cr耐热钢便得到了迅速发展。这种趋势持续到50年代，同期发展了如英国的H46、FV488牌号，美国的AISI-422、AlleghenyLudlumType419、Lapealloy等高蠕变强度钢。但研究发现，马氏体相变将会导致焊接脆断问题，无法将这些耐热钢应用于火力发电厂的蒸汽管道。直到50年代中期，该问题终于得到解决。这些钢中尤以H46及AISI-422耐热钢的应用最为广泛，因其与其它钢种相比具有较高的蠕变强度。后期日本也开发了一系列新型钢，即TAF系列钢，推动了民用高温耐热不锈钢管的发展。

50年代末至70年代，铁素体耐热不锈钢管的发展仍主要围绕热电厂蒸汽管道。比较有代表性的是9Cr-2Mo耐热不锈钢管，该钢由比利时冶金研究中心所开发，是添加了Nb和V等合金元素的一种新型铁素体不锈钢管；此外，还有超级9Cr的EM-12过热钢，该钢由法国研发，具有良好耐疲劳性能，但冲击韧度较差，故没有得到广泛应用；瑞典的HT-9（F11）主要用于锅炉管道。德国也在60年代开发了X12CrMo91（P9）和X20CrMoV12.1等钢种。其中，X20CrMoV12.1钢是12CrMoV系列耐热钢中最具有代表性的钢种，在60年代，该钢成为了几乎所有火力发电厂的蒸汽管道用钢。该钢性能优异，具有很强的抗蠕变性能、较高的强度和塑性，优良的耐蚀性能，对热应力极不敏感，故十九世纪六十年代首先在德国电厂使用后，迅速在欧洲国家推广开来，被用于大功率发电机组的火电厂。而美国在60年代时，也使用高铬铁素体系钢作为火力发电厂的汽轮机用钢，其中最有代表性的是由GE公司生产的G.E.钢。在同一时期，T/P9钢及日本生产的HCM9M钢种也是人们研发出的新型火力发电厂用耐热钢。十九世纪七十年代中期，随着经济发展，全球出现了能源危机，故各国都将研究重心转向了如何提高能源使用效率的问题上。因此，如何提高耐热钢的使用温度和许用应力就成为研究重点。这一时期出现了一种新的9Cr-1Mo型钢，该钢是一种由美国橡树岭国家实验室与燃烧工程公司联合开发研究的新型钢。该钢在保持EM12钢原有性能的基础上，还解决了EM12钢存在的脆性和较低断裂韧性问题。同时，该钢还具有良好的焊接性和塑韧性，它在接近600℃的温度下服役100h时的蠕变断裂强度达到100MPa。1983年，美国将这种钢标定为T/P91钢，用作火力发电站超临界压力机组的受热部件用钢，服役环境可超过600℃，最高可达650℃，许用蒸汽压力可达24MPa。目前，该钢已在欧洲、美国和日本等全球许多火力发电机组中得到应用，在应用过程中显示出了优异的综合使用性能。

由于T/P91钢具有优异的综合性能，故大量的学者都将其作为研究对象。由于该钢已在工业生产中得到应用，故有大量的长期蠕变及力学性能变化的数据，这也利于该钢的强韧化机理、力学性能及成分优化等方面做进一步的研究。全球先后研发出了T/P92（NF616），E911，T122（HCM12A）等新型具有更好使用性能的铁素体耐热不锈钢管。通过在T/P91钢基础上减少钼含量，并加入金属元素钨，控制钼当量在1.5左右等方法来优化成分；同时，增加微量硼元素，使其分布在碳化物M23C6中，达到细化M23C6和增加M23C6数目的作用，进而提高材料的强韧性，研发出了性能更加优异的T/P92钢。同时期在X20CrMoV12.1钢基础上研发出了一种新型铁素体耐热不锈钢管，该钢不含ä铁素体，具有优异强度和塑韧性，但因添加了铜元素，高温强度增强，但对塑韧性有影响，该钢广泛应用于耐高温、耐高强的大尺寸管道中。

T/P92钢是这一时期性能最佳且最为典型的一个新型铁素体耐热不锈钢管钢种。该钢加入了1.50%～2.00%的钨元素，且钼含量仅为0.3%～0.6%，故该钢未有ä-铁素体，而是形成了以钨为主的钨-钼复合固溶强化组织。因此，该钢在维持T91钢优异综合性能基础上，服役温度最高可达650℃，主要用于火力发电站锅炉中的高温部件，部分代替奥氏体耐热不锈钢管TP304H和TP347H。该钢能够优化钢管的使用性能，避免或减少异种钢接头，在实际工业生产中得到了很广泛的应用。但相关研究表明，该钢在长期服役过程中出现了蠕变脆性倾向。NF12和SAVE12钢是为此在其基础上进一步调整成分而研发的新型钢，增加W含量，新添加Co元素，专门用于满足电厂对650℃使用温度的强度更高的铁素体耐热钢。

改进的新型铁素体耐热钢能应用于火力发电超超临界机组中，使蒸汽参数从566℃提高到593℃。如改进型9Cr-1Mo(T91/P91)钢、改进型9Cr-2Mo(E911)钢、NF616(T92/P92)钢、HCM12A(T122/P122)钢等。更高的蒸汽参数发电机组耐热钢开发的第二阶段是使蒸汽温度由593℃提高到649℃，目前还没有主蒸汽温度为649℃/593℃/593℃的机组。为达到此目的，各国电力机构及相关研究组织都致力开展认证和开发适于高蒸汽参数下使用的耐热钢研发工作，如EPRI、ELSAM、NationalPower、EPDC和欧洲的COST501等。